PCB dizajn kruga mješovitog signala je vrlo komplikovan. Raspored i ožičenje komponenti i obrada napajanja i uzemljenja direktno će uticati na performanse kola i performanse elektromagnetne kompatibilnosti. Dizajn particije uzemljenja i napajanja uveden u ovom radu može optimizirati performanse kola mješovitih signala.

Kako smanjiti smetnje između digitalnih i analognih signala? Prije projektovanja moraju se razumjeti dva osnovna principa elektromagnetne kompatibilnosti (EMC): prvi princip je minimiziranje površine strujne petlje; Drugi princip je da sistem koristi samo jednu referentnu ravan. Naprotiv, ako sistem ima dvije referentne ravni, moguće je formirati dipolnu antenu (napomena: zračenje male dipolne antene je proporcionalno dužini linije, količini struje koja teče i frekvenciji). Ako se signal ne vrati kroz najmanju moguću petlju, može se formirati velika kružna antena. Izbjegavajte oboje u svom dizajnu što je više moguće.

Predloženo je da se odvoji digitalno uzemljenje i analogno uzemljenje na ploči s mješovitim signalom kako bi se postigla izolacija između digitalnog uzemljenja i analognog uzemljenja. Iako je ovaj pristup izvodljiv, on ima mnogo potencijalnih problema, posebno u velikim i složenim sistemima. Najkritičniji problem je da se ne pređe ožičenje razmaka u particiji, nakon što se pređe ožičenje razmaka u particiji, elektromagnetno zračenje i preslušavanje signala će se dramatično povećati. Najčešći problem u dizajnu PCB-a je EMI problem uzrokovan signalnom linijom koja prelazi uzemljenje ili napajanje.

Kao što je prikazano na slici 1, koristimo gornju metodu segmentacije, a signalna linija proteže razmak između dva uzemljenja, koliki je povratni put signalne struje? Pretpostavimo da su dva podijeljena zemljišta povezana u nekoj tački (obično jedna tačka u jednoj tački), u kom slučaju će struja zemlje formirati veliku petlju. Struja visoke frekvencije koja teče kroz veliku petlju će generisati zračenje i visoku induktivnost zemlje. Ako se analogna struja niskog nivoa koja teče kroz veliku petlju lako može ometati vanjskim signalima. Najgore je što kada se sekcije spoje zajedno na izvoru napajanja, formira se vrlo velika strujna petlja. Osim toga, analogno i digitalno uzemljenje spojeno dugom žicom formiraju dipolnu antenu.

Razumijevanje putanje i načina povratnog toka struje u zemlju je ključ za optimizaciju dizajna ploče s mješovitim signalom. Mnogi dizajneri razmatraju samo gdje struja signala teče, zanemarujući specifičnu putanju struje. Ako se sloj zemlje mora pregraditi i mora se provući kroz razmak između pregrada, može se napraviti veza u jednoj tački između pregrađenog tla kako bi se formirao vezni most između dva sloja uzemljenja, a zatim se usmjerio kroz spojni most. Na ovaj način se može obezbijediti put povratnog toka jednosmjerne struje ispod svake signalne linije, što rezultira malim područjem petlje.

Optički izolacijski uređaji ili transformatori se također mogu koristiti za realizaciju signala koji prelazi segmentni jaz. U prvom slučaju, optički signal pokriva segmentni jaz. U slučaju transformatora, magnetsko polje je ono koje se proteže kroz pregradni razmak. Mogući su i diferencijalni signali: signali ulaze iz jedne linije i vraćaju se iz druge, u kom slučaju se nepotrebno koriste kao povratni putevi.

Da bismo istražili interferenciju digitalnog signala s analognim signalom, prvo moramo razumjeti karakteristike struje visoke frekvencije. Visokofrekventna struja uvijek bira put s najnižom impedancijom (induktivnošću) direktno ispod signala, tako da će povratna struja teći kroz susjedni sloj kola, bez obzira da li je susjedni sloj sloj napajanja ili sloj zemlje.

U praksi se općenito preferira korištenje uniformne PCB particije na analogne i digitalne dijelove. Analogni signali se rutiraju u analognom području svih slojeva ploče, dok se digitalni signali rutiraju u području digitalnog kola. U tom slučaju povratna struja digitalnog signala ne teče u masu analognog signala.

Do smetnji od digitalnih signala do analognih signala dolazi samo kada se digitalni signali usmjeravaju ili se analogni signali usmjeravaju preko digitalnih dijelova ploče. Ovaj problem nije zbog nedostatka segmentacije, pravi razlog je nepravilno ožičenje digitalnih signala.

Dizajn PCB-a koristi objedinjenu, kroz particiju digitalnog kola i analognog kola i odgovarajuće signalno ožičenje, obično može riješiti neke od težih problema rasporeda i ožičenja, ali također nema nekih potencijalnih problema uzrokovanih segmentacijom tla. U ovom slučaju, raspored i podjela komponenti postaju kritični u određivanju kvaliteta dizajna. Ako je pravilno postavljena, digitalna struja uzemljenja bit će ograničena na digitalni dio ploče i neće ometati analogni signal. Takvo ožičenje se mora pažljivo provjeriti i provjeriti kako bi se osigurala 100% usklađenost s pravilima ožičenja. U suprotnom, neispravna signalna linija će u potpunosti uništiti vrlo dobru ploču.

Prilikom povezivanja analognih i digitalnih pinova uzemljenja A/D pretvarača, većina proizvođača A/D pretvarača preporučuje povezivanje AGND i DGND pinova na isto uzemljenje niske impedancije koristeći najkraće vodove (Napomena: Budući da većina čipova za A/D pretvarač ne povezuje analogno i digitalno uzemljenje zajedno interno, analogno i digitalno uzemljenje moraju biti spojene preko eksternih pinova), svaka vanjska impedancija spojena na DGND će povezati više digitalnog šuma s analognim kolom unutar IC-a putem parazita. kapacitivnost. Slijedeći ovu preporuku, i pinovi A/D pretvarača AGND i DGND moraju biti spojeni na analognu masu, ali ovaj pristup postavlja pitanja kao što je da li kraj uzemljenja kondenzatora za razdvajanje digitalnog signala treba biti povezan na analognu ili digitalnu masu.

Ako sistem ima samo jedan A/D konvertor, gornji problem se lako može riješiti. Kao što je prikazano na slici 3, uzemljenje je podijeljeno, a analogni i digitalni dio uzemljenja su povezani zajedno ispod A/D pretvarača. Kada se usvoji ova metoda, potrebno je osigurati da širina mosta između dvije lokacije bude jednaka širini IC-a i da nijedna signalna linija ne može preći pregradni jaz.

Ako sistem ima mnogo A/D konvertora, na primer, 10 A/D konvertera, kako se povezati? Ako se analogno i digitalno uzemljenje spoje ispod svakog A/D pretvarača, rezultirat će višestruka veza, a izolacija između analognog i digitalnog uzemljenja će biti besmislena. Ako to ne učinite, kršite zahtjeve proizvođača.

Najbolji način je da počnete od uniforme. Kao što je prikazano na slici 4, tlo je jednoliko podijeljeno na analogne i digitalne dijelove. Ovaj raspored ne samo da zadovoljava zahtjeve proizvođača IC uređaja za niskoimpedansno povezivanje analognih i digitalnih pinova uzemljenja, već i izbjegava EMC probleme uzrokovane okvirnom antenom ili dipolnom antenom.

Ako sumnjate u jedinstveni pristup dizajnu PCB-a s mješovitim signalom, možete koristiti metodu particije sloja zemlje da postavite i usmjerite cijelu ploču. U dizajnu, treba obratiti pažnju na to da se ploča sa kola lako poveže zajedno sa kratkospojnicima ili otpornicima od 0 oma koji su međusobno udaljeni manje od 1/2 inča u kasnijem eksperimentu. Obratite pažnju na zoniranje i ožičenje kako biste osigurali da nema digitalnih signalnih linija iznad analognog dijela na svim slojevima i da nema analognih signalnih linija iznad digitalnog dijela. Štaviše, nijedna signalna linija ne smije prelaziti prazninu u zemlji ili dijeliti jaz između izvora napajanja. Da biste testirali funkciju ploče i EMC performanse, ponovo testirajte funkciju ploče i EMC performanse tako što ćete spojiti dva sprata zajedno preko otpornika od 0 oma ili kratkospojnika. Upoređujući rezultate testiranja, ustanovljeno je da je u gotovo svim slučajevima objedinjeno rješenje bilo superiornije u pogledu funkcionalnosti i EMC performansi u odnosu na split rješenje.

Da li metoda podjele zemljišta još uvijek funkcionira?

Ovaj pristup se može koristiti u tri situacije: neki medicinski uređaji zahtijevaju vrlo nisku struju curenja između strujnih kola i sistema povezanih na pacijenta; Izlaz neke opreme za upravljanje industrijskim procesima može biti povezan na bučnu elektromehaničku opremu velike snage; Drugi slučaj je kada je IZGLED PCB-a podložan određenim ograničenjima.

Obično postoje odvojena digitalna i analogna napajanja na PCB ploči s mješovitim signalom koja može i treba imati podijeljenu stranu napajanja. Međutim, signalne linije u blizini sloja napajanja ne mogu preći jaz između izvora napajanja, a sve signalne linije koje prelaze prazninu moraju se nalaziti na sloju kola pored velikog područja. U nekim slučajevima, analogno napajanje može biti dizajnirano sa PCB konekcijama, a ne sa jednim licem kako bi se izbjeglo cijepanje lica napajanja.

Dizajn particije PCB-a s mješovitim signalom

Dizajn PCB-a s mješovitim signalom je složen proces, proces dizajna treba obratiti pažnju na sljedeće točke:

1. Podijelite PCB na zasebne analogne i digitalne dijelove.

2. Odgovarajući raspored komponenti.

3. A/D konverter je postavljen preko particija.

4. Nemojte dijeliti tlo. Analogni dio i digitalni dio ploče su ravnomjerno postavljeni.

5. U svim slojevima ploče, digitalni signal se može usmjeriti samo u digitalni dio ploče.

6. U svim slojevima ploče, analogni signali se mogu rutirati samo u analognom dijelu ploče.

7. Analogno i digitalno razdvajanje snage.

8. Ožičenje ne bi trebalo da proteže jaz između podeljenih površina napajanja.

9. Signalne linije koje moraju pokrivati ​​jaz između podijeljenih izvora napajanja trebaju biti locirane na sloju ožičenja pored velikog područja.

10. Analizirajte stvarnu putanju i način toka struje zemlje.

11. Koristite ispravna pravila ožičenja.